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可燃固废热化学转化过程相互作用及影响因素的研究

博士研究生:周会

指导教师:张衍国 研究员

所属院系:热能工程系

所属专业:动力工程及工程热物理

论文摘要

    可燃固废的处理是当前世界各国面临的严峻问题，而热化学转化是有效的能源化处理技术。本文在聚类分析我国可燃固废组分的基础上，筛选了9种基元物质（半纤维素、纤维素、木质素、果胶、淀粉、PE、PS、PVC、PET）进行研究。

    在热重分析仪（Thermogravimetric analyzer, TGA）及自行搭建的在线称重实验台（Macro-TGA）上进行了可燃固废基元物质的热解实验，开发了峰分析-最小二乘法进行动力学计算。复杂的热解反应可以用一系列平行反应来表示，用得到的动力学参数可以对热解动力学特性进行准确地再现。

    在800 ℃固定床上进行了基元物质的快速热解实验，分析了产物质量分布特性、气体生成特性及多环芳烃（Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs）生成特性。PS和PVC生成PAHs最多，萘是最丰富的PAH，菲和芴是最丰富的3环芳烃。PS、PET、木质素可以由芳香结构生成PAHs，PE可以通过Diels-Alder反应生成PAHs，多糖类物质可以通过苯或环戊二烯作为中间产物生成PAHs。

    木质素和PVC热解温度越高，焦油的分子量越高，PAHs生成量越高，PVC热解的HCl生成量随温度升高而降低。慢速热解比快速热解生成更多焦油，更少的PAHs。在空气或CO2气氛下气化，生成的PAHs总量都比N2气氛下少，NaCl、NaOH和CuCl2对PAHs的生成都存在抑制作用。木质素的热解从解聚开始，随着温度的升高，二次反应（脱甲氧基、脱羟基、脱甲基）被促进。对于木质素的慢速热解，二次反应难以发生。PVC热解分为两个过程：脱氯和断链。在快速热解过程中，脱氯过程和断链过程几乎同时发生，脱氯过程是不完全的。

    在TGA和固定床中，纤维素和木质素的共热解表现了强混合效应，混合效应使焦油的产量增加。PVC与纤维素的相互作用比较明显，混合作用先促进热解，后抑制热解。PVC与木质纤维类基元的混合显著地抑制了HCl的生成而增加了焦油的生成，大部分PAHs的生成量减少了。木质纤维类基元可以作为一种催化剂，促进了PVC的断链过程。

    本文在筛选了可燃固废9种基元组分的基础上，研究了基元物质的热化学转化特性，得到了不同因素对热化学转化特性的影响，得到了基元物质混合作用对热化学转化特性的影响。本文的工作可以为可燃固废的清洁、高效能源化利用提供理论依据，也为进一步认识复杂燃料的热化学转化机理提供基础。